Em pesquisas que poderiam impulsionar o trabalho em uma série de tecnologias, incluindo células de combustível, chave para armazenar energia solar e eólica, os pesquisadores do MIT descobriram uma maneira relativamente simples de aumentar a vida útil desses dispositivos:alterando o "pH" do sistema.
Células de combustível e eletrólise feitas de materiais conhecidos como óxidos metálicos sólidos são de interesse por várias razões. Por exemplo, no modo de eletrólise, eles são muito eficientes na conversão de eletricidade de uma fonte renovável em um combustível armazenável como hidrogênio ou metano que pode ser usado no modo de célula de combustível para gerar eletricidade quando o sol não está brilhando ou o vento está não soprando. Eles também podem ser feitos sem usar metais caros como a platina. No entanto, sua viabilidade comercial foi prejudicada, em parte, porque se degradam com o tempo. Átomos de metal vazando das interconexões usadas para construir bancos de células de combustível/eletrólise envenenam lentamente os dispositivos.

"O que conseguimos demonstrar é que podemos não apenas reverter essa degradação, mas também melhorar o desempenho acima do valor inicial, controlando a acidez da interface do eletrodo de ar", diz Harry L. Tuller, professor de R.P. Simmons de Cerâmica e Materiais Eletrônicos no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT (DMSE).

A pesquisa, inicialmente financiada pelo Departamento de Energia dos EUA por meio do Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia do Escritório de Energia Fóssil e Gerenciamento de Carbono (FECM), deve ajudar o Departamento a atingir sua meta de reduzir significativamente a taxa de degradação de células a combustível de óxido sólido até 2035-2050. .

"Estender a vida útil das células de combustível de óxido sólido ajuda a fornecer a produção de hidrogênio de baixo custo e alta eficiência e a geração de energia necessária para um futuro de energia limpa", diz Robert Schrecengost, diretor interino da Divisão de Hidrogênio com Gerenciamento de Carbono da FECM. "O Departamento aplaude esses avanços para amadurecer e, finalmente, comercializar essas tecnologias para que possamos fornecer energia limpa e confiável para o povo americano".

"Tenho trabalhado nessa área durante toda a minha vida profissional e o que tenho visto até agora são principalmente melhorias incrementais", diz Tuller, que foi recentemente nomeado Membro da Sociedade de Pesquisa de Materiais de 2022 por seu trabalho ao longo de sua carreira em sólidos. química de estado e eletroquímica. "As pessoas normalmente ficam satisfeitas em ver melhorias por fatores de 10 por cento. Então, na verdade, ver melhorias muito maiores e, o mais importante, identificar a origem do problema e os meios para contorná-lo, questões com as quais temos lutado há todas essas décadas, é notável."

Diz James M. LeBeau, outro professor do MIT envolvido no trabalho, "este trabalho é importante porque pode superar [algumas] limitações que impediram o uso generalizado de células de combustível de óxido sólido. Além disso, o conceito básico pode ser aplicado a muitos outros materiais usados ​​para aplicações no campo relacionado à energia." LeBeau é o John Chipman Associate Professor of Materials Science and Engineering

O trabalho foi relatado em 11 de agosto, online, em Energy &Environmental Science . Os autores adicionais do artigo são Han Gil Seo, bolsista de pós-doutorado do DMSE; Anna Staerz, ex-bolsista de pós-doutorado do DMSE, agora no Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) Bélgica e em breve se juntará ao corpo docente da Colorado School of Mines; Dennis S. Kim, associado de pós-doutorado do DMSE; Dino Klotz, cientista visitante do DMSE, agora na Zurich Instruments; Michael Xu, estudante de pós-graduação do DMSE, e Clement Nicollet, ex-bolsista de pós-doutorado do DMSE, agora na Université de Nantes. Seo e Staerz contribuíram igualmente para o trabalho.

O que eles fizeram

Uma célula combustível/eletrólise tem três partes principais:dois eletrodos (um cátodo e um ânodo) separados por um eletrólito. No modo de eletrólise, a eletricidade, digamos, do vento, pode ser usada para gerar combustível armazenável como metano ou hidrogênio. Por outro lado, na reação reversa da célula de combustível, esse combustível armazenável pode ser usado para criar eletricidade quando o vento não está soprando.

Uma célula de combustível/eletrólise de trabalho é composta de muitas células individuais que são empilhadas juntas e conectadas por interconexões de metal de aço que incluem o elemento cromo para evitar que o metal oxide. Mas "acontece que nas altas temperaturas que essas células funcionam, parte desse cromo evapora e migra para a interface entre o cátodo e o eletrólito, envenenando a reação de incorporação de oxigênio", diz Tuller. Depois de um certo ponto, a eficiência da célula caiu a um ponto em que não vale mais a pena operar.

“Então, se você puder prolongar a vida útil da célula de combustível/eletrólise desacelerando esse processo, ou, idealmente, revertendo-o, você pode percorrer um longo caminho para torná-lo prático”, diz Tuller.

A equipe mostrou que você pode fazer as duas coisas controlando a acidez da superfície do cátodo. Eles também explicaram o que está acontecendo.

Mudando a acidez

Para alcançar seus resultados, a equipe revestiu o cátodo da célula combustível/eletrólise com óxido de lítio, um composto que altera a acidez relativa da superfície de ácida para mais básica. "Depois de adicionar uma pequena quantidade de lítio, conseguimos recuperar o desempenho inicial de uma célula envenenada", diz Tuller. Quando os engenheiros adicionaram ainda mais lítio, o desempenho melhorou muito além do valor inicial. “Vimos melhorias de três a quatro ordens de magnitude na taxa de reação de redução de oxigênio e atribuímos a mudança ao preenchimento da superfície do eletrodo com elétrons necessários para conduzir a reação de incorporação de oxigênio”.

Os engenheiros continuaram explicando o que está acontecendo literalmente observando o material em nanoescala, ou bilionésimos de metro, com microscopia eletrônica de transmissão de última geração e espectroscopia de perda de energia eletrônica. "Estávamos interessados ​​em entender a distribuição dos diferentes aditivos químicos [cromo e óxido de lítio] na superfície", diz LeBeau.

Eles descobriram que o óxido de lítio dissolve efetivamente o cromo para formar um material vítreo que não serve mais para degradar o desempenho do cátodo.

O que vem a seguir?

Muitas tecnologias, como células de combustível, são baseadas na capacidade dos sólidos de óxido de respirar rapidamente oxigênio para dentro e para fora de suas estruturas cristalinas, diz Tuller. O trabalho do MIT mostra essencialmente como recuperar – e acelerar – essa capacidade alterando a acidez da superfície. Como resultado, os engenheiros estão otimistas de que o trabalho possa ser aplicado a outras tecnologias, incluindo, por exemplo, sensores, catalisadores e reatores baseados em permeação de oxigênio.

A equipe também está explorando o efeito da acidez em sistemas envenenados por diferentes elementos, como a sílica.

Conclui Tuller:"Como muitas vezes acontece na ciência, você tropeça em algo e percebe uma tendência importante que não foi apreciada anteriormente. Então você testa esse conceito ainda mais e descobre que ele é realmente muito fundamental." + Explorar mais

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